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画家们见怪不怪的常用技巧,数学家建了个学科来研究

几乎所有的画家都能熟练地运用透视的原理。因为透视原理能帮助作画者对物体的形态做出正确而科学的观察。

从绘画角度讲,所谓透视就是透过一层直立于人眼与物体之间的平板玻璃来看物体。这时,我们可以把平板玻璃看成画面,在平板玻璃上看到的物体的缩影,就是我们画面所需要的形象。

我国唐代诗人杜甫在成都描写草堂四周的景致时,曾留下一首千古绝句:

两个黄鹂鸣翠柳,一行白鹭上青天。

窗含西岭千秋雪,门泊东吴万里船。

这首诗实际上是杜甫坐于草堂书屋中,透过门和窗,对外部环境的透视的精妙描写!

在绘画中,画面上正对作画者眼睛的一点称为心点。凡与画面垂直的直线,都在心点消失。图(a)是从上往下看的平面图,图上有3条平行的火车轨道,轨道右侧是一排树木。图(b)是图(a)中人站在“×”点处时的透视图,垂直于画面而伸向远方的树木、铁轨和电线杆,都在心点交合。

在欧洲文艺复兴时期,透视学的成就与绘画史的光彩交相辉映!许多著名的画家,包括多才多艺的达・芬奇,以他们非凡的技巧和才能,为透视学的研究做出了卓越的贡献。他们的成果很快影响到几何学,并孕育出一门新的几何学分支———射影几何学。

如下图所示,所谓射影是指从中心O发出的光线投射锥,使平面Q上的图形Ω,在平面P上获得截景Ω'。则Ω'称为Ω关于中心O在平面P上的射影。

射影几何学就是研究在上述射影变换下不变性质的几何学。

为射影几何学的诞生奠基的是两位法国数学家:吉拉德・德萨格(GirardDesargues,1591—1661)和布列斯・帕斯卡(BrycePascal,1623—1662)。

1636年,德萨格出版了《用透视表示对象的一般方法》一书。在这本书里,德萨格首次给出了高度、宽度和深度“测尺”的概念,从而把绘画理论与严格的科学联系起来。不可思议的是,对于这种科学上的进步,当时却受到了来自多方面的抨击,致使德萨格为此愤愤不平!他公开宣布,凡能在他的方法里找到错误者,一概奖给100个西班牙币;谁能提出更好的方法,他本人愿意支付1000法郎。这实在是对历史的一种嘲弄!

1639年,德萨格在平面与圆锥相截的研究中,取得了新的突破。他论述了3种二次曲线都能由平面截圆锥而得,从而可以把这3种曲线都看成是圆的透视图形,如图所示。

这使有关圆锥曲线的研究有了一种特别简洁的形式。不过,德萨格的上述著作后来竟不幸失传,直至200年后,1845年的某一天,法国数学家查理斯由于一个偶然的机会,在巴黎的一个旧书摊上意外地发现了德萨格原稿的抄本,从而使德萨格这一被埋没了的成果得以重新发放光辉!

德萨格之所以能青史留名,还由于以下的定理:如果2个空间三角形对应顶点的3条连线共点,那么它们对应边直线的交点共线,如图所示。这个定理后来便以德萨格的名字命名。

有趣的是,把德萨格定理中的“点”改为“直线”,而把“直线”改为“点”,所得的命题依然成立。即如果2个空间三角形的对应边直线的3个交点共线,那么它们对应顶点的连线共点。

在射影几何学中,上述现象具有普遍性。一般地,把一个已知命题或构图中的词语,按以下“词典”进行翻译:

将得到一个“对偶”的命题。

两个互为对偶的命题,要么同时成立,要么同时不成立。这便是射影几何学中独有的“对偶原理”。

布列斯・帕斯射影几何学的另一位奠基者是广大读者所熟悉的,数学史上公认的“神童”———法国数学家布莱士・帕斯卡。他的成就充满着传奇。帕斯卡的父亲也是一位数学家,不知什么原因,他极力反对帕斯卡学习数学,甚至把数学书全都藏了起来。

不料,这一切反而使爱动脑筋的帕斯卡对数学这一“神秘的禁区”更加向往,并在小小年纪,便独立证明了平面几何中的一条重要定理:三角形内角和等于180°。

帕斯卡的数学天赋竟使他父亲激动得热泪盈眶,并一改过去的态度。他不仅不再反对帕斯卡学习数学,而且全力支持他,亲自带领帕斯卡去参加法兰西科学院创始人梅森主持的讨论会。当时帕斯卡才14岁。

1639年,帕斯卡发现了使他名垂青史的定理:若A、B、C、D、E、F是圆锥曲线上任意的6个点,则由AB与DE,BC与EF,CD与FA所形成的3个交点共线!如图18.5所示。

帕斯卡的这个定理精妙无比!它表明一个圆锥曲线只需5个点便能确定,第6个点可以通过定理中共线的条件推出。这个定理的推论多达400余条,简直抵得上一部鸿篇巨著!

不料,帕斯卡的这一辉煌成果,竟引起了包括大名鼎鼎的笛卡儿在内的一些人的怀疑,他们不相信这会是一个16岁孩子的思维,而认为这是帕斯卡父亲的代笔!

不过,此后的帕斯卡成果累累:19岁发明了台式加减计算机;23岁发现了物理学上著名的流体压强定律;31岁与费马共同创立了概率论;35岁对摆线的研究取得了重大成果……

帕斯卡这一系列的成就,终于使所有持怀疑态度的人折服了!至此,人们无不交口称赞这位法国天才的智慧光辉!

不幸的是,德萨格和帕斯卡这两位射影几何学的先躯,竟于1661年和1662年先后谢世。此后,射影几何学的研究没有得到人们的应有重视,并因此沉寂了整整一个半世纪,直至又一位法国数学家庞斯莱的到来。

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